Ti₃Al-TiAl層狀複合材料的製備方法

2023-05-05 04:12:31

專利名稱：Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及金屬層狀複合材料的製備方法。
背景技術：
TiAl金屬間化合物主要包括Ti3Al, TiAl及TiAl3三種金屬間化合物，其中TiAl3因為脆性大，還處於理論研究階段，而Ti3Al及TiAl在航天航空及汽車エ業已經得到了廣泛地應用，其中Ti3Al延性好，強度高，TiAl抗氧化性好，使用溫度高，Ti3Al-TiAl複合材料兼有二者的優點，可以在結構材料應用中發揮更好的作用。層狀材料是受自然界中貝殼結構的啟發而設計的ー種新型結構材料。把貝殼的結構機制及韌化機理應用於多層複合材料的設計中，其目的是通過疊層來補償單層材料內 在性能的不足，得到強、韌最佳配合的材料。對於多層材料，微觀結構是決定其性能的ー個重要因素。多層材料性能優越於単體材料的原因是該材料的層間距較小，限制了位錯的移動和缺陷的尺寸。目前，金屬間化合物多層材料報導則很少。現有多層材料製備方法有多種，常見的等離子噴塗法，物理氣相沉積法，磁共濺射法等，但是其製備エ藝對設備要求很高，エ藝複雜，大大提高了エ藝成本。如今需要開發新的層狀材料的製備方法來簡化工藝流程，降低成本，利於在エ業化生產中應用。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有層狀複合材料的製備方法對設備要求高，エ藝複雜，成本高的問題，而提供Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法。本發明Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法是通過下列步驟實現一、將經過表面處理後的Ti箔和Al箔切割成小片，交替疊層放置10 30層，疊放的最上端和最下端皆為塗覆BN或者Y2O3的Ti箔，再往交替疊層放置的Ti箔和Al箔外包裹ー層塗覆BN的Ti箔，然後放置在石墨模具中，再把石墨模具放入真空熱壓燒結爐中加熱至300 500°C，同時施加10 30MPa壓力，保溫O. 5 lh，得到疊層箔材；ニ、卸載步驟一中疊層箔材上的壓力，以10°C /min的加熱速率將疊層箔材加熱到600 800°C，保溫2 40h，使Ti箔和Al箔發生擴散反應生成TiAl3-Ti層狀複合材料，然後以10°C /min的加熱速率加熱到900 1300°C，同時施加10 30MPa的壓力，保溫2 IOh後隨爐冷卻，退摸，即得到Ti3Al-TiAl層狀複合材料；其中步驟一所述的表面處理是採用丙酮或甲醇擦洗Ti箔和Al箔表面，再分別進行酸洗處理或者鹼洗處理；酸洗處理是使用體積濃度為5 10%的HF水溶液酸洗10 30s後用清水洗浄，吹乾；鹼洗處理是使用體積濃度為5 20%的NaOH水溶液鹼洗10 30s後用清水洗浄，吹乾；步驟一所述的Ti箔和Al箔厚度均為100 300 μ m ;步驟一所述的包裹ー層塗覆BN的Ti箔厚度為100 μ m。本發明包含如下優點
I、採用本發明Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法可以一次性完成Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備，生產エ藝簡單易行，成本低，製備過程使用的真空熱壓燒結爐為常規設備，因此本發明對設備要求低。2、本發明Ti3Al-TiAl層狀複合材料的每層金屬間化合物厚度可以方便地通過調整Ti箔和Al箔的厚度而得到不同厚度的層狀複合材料。
3、本發明製備過程無汙染，製備得到的層狀複合材料界面結合緻密，應用於航天渦輪發動機葉片，機翼和高級轎車發動機的構件上。


圖I是具體實施方式

七製備的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的XRD圖譜，〇表示TiAl，□表示 Ti3Al ；圖2是具體實施方式

七製備的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式具體實施方式

一本實施方式Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法按下列步驟實現一、將經過表面處理後的Ti箔和Al箔切割成小片，交替疊層放置10 30層，疊放的最上端和最下端皆為塗覆BN或者Y2O3的Ti箔，再往交替疊層放置的Ti箔和Al箔外包裹ー層塗覆BN的Ti箔，然後放置在石墨模具中，再把石墨模具放入真空熱壓燒結爐中加熱至300 500°C，同時施加10 30MPa壓カ，保溫O. 5 lh，得到疊層箔材；ニ、卸載步驟一中疊層箔材上的壓力，以10°C /min的加熱速率將疊層箔材加熱到600 800°C，保溫2 40h，使Ti箔和Al箔發生擴散反應生成TiAl3-Ti層狀複合材料，然後以10°C /min的加熱速率加熱到900 1300°C，同時施加10 30MPa的壓力，保溫2 IOh後隨爐冷卻，退摸，即得到Ti3Al-TiAl層狀複合材料；其中步驟一所述的表面處理是採用丙酮或甲醇擦洗Ti箔和Al箔表面，再分別進行酸洗處理或者鹼洗處理；酸洗處理是使用體積濃度為5 10%的HF水溶液酸洗10 30s後用清水洗浄，吹乾；鹼洗處理是使用體積濃度為5 20%的NaOH水溶液鹼洗10 30s後用清水洗浄，吹乾；步驟一所述的Ti箔和Al箔厚度均為100 300 μ m ;步驟一所述的包裹ー層塗覆BN的Ti箔厚度為100 μ m。本實施方式步驟ー Ti箔和Al箔切割成500mm*500mm的正方形小片。本實施方式步驟ニ中所述卸載步驟一中疊層箔材上的壓力，以10°C /min的加熱速率將疊層箔材加熱到600 800°C，保溫2 40h，這ー過程是對疊層箔材進行退火熱處理。本實施方式步驟ニ中所述以10°C /min的加熱速率加熱到900 1300°C，同時施加10 30MPa的壓力，保溫2 10h，這ー過程是對TiA13_Ti層狀複合材料進行退火熱處理。具體實施方式

ニ 本實施方式與具體實施方式

一不同的是步驟一放入真空熱壓燒結爐中加熱至330 450°C，同時施加15 26MPa壓力。其它步驟及參數與具體實施方式

一相同。具體實施方式

三本實施方式與具體實施方式

一不同的是步驟一放入真空熱壓燒結爐中加熱至380°C，同時施加23MPa壓力。其它步驟及參數與具體實施方式

一相同。具體實施方式

四本實施方式與具體實施方式

一至三之一不同的是步驟ニ將疊層箔材加熱到650 760°C，保溫10 35h，使Ti箔和Al箔發生擴散反應生成TiAl3-Ti層狀複合材料，然後以10°C /min的加熱速率加熱到1000 1200°C，同時施加15 25MPa的壓カ，保溫3 8h後隨爐冷卻，退摸。其它步驟及參數與具體實施方式

一至三之一相同。具體實施方式

五本實施方式與具體實施方式

一至三之一不同的是步驟ニ將疊層箔材加熱到680°C，保溫20h，使Ti箔和Al箔發生擴散反應生成TiAl3-Ti層狀複合材料，然後以10°C /min的加熱速率加熱到1100°C，同時施加20MPa的壓力，保溫6h後隨爐冷卻，退摸。其它步驟及參數與具體實施方式

一至三之一相同。具體實施方式

六本實施方式Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法按下列步驟實現一、將經過表面處理後的Ti箔和Al箔切割成500mm*500mm的正方形小片，交替疊層放置21層，疊放的最上端和最下端皆為塗覆BN的Ti箔，再往交替疊層放置的Ti箔和Al箔外包裹ー層100 μ m厚塗覆BN的Ti箔，然後放置在石墨模具中，再把石墨模具放入真空熱壓燒結爐中加熱至500°C，同時施加30MPa壓カ，保溫lh，得到疊層箔材；ニ、卸載步驟一中疊層箔材上的壓力，以10°C /min的加熱速率將疊層箔材加熱到800°C，保溫5h，使Ti箔和Al箔發生擴散反應生成TiAl3-Ti層狀複合材料，然後以10°C /min的加熱速率加熱到1300°C，同時施加30MPa的壓力，保溫6h後隨爐冷卻，退模，即得到Ti3Al-TiAl層狀複合材料；其中步驟一所述的表面處理是採用丙酮擦洗Ti箔和Al箔表面，再對Al箔使用體積濃度為10%的NaOH水溶液鹼洗IOs後用清水衝洗2min，吹乾；對Ti箔使用體積濃度為5%的HF水溶液酸洗IOs後用清水衝洗2min，吹乾；步驟一所述的Ti箔和Al箔厚度均為200 μ m。本實施方式製備的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的XRD圖譜如圖I所示。本實施方式製備的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的掃描電鏡照片如圖2所示，可見本實施方式製備的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的界面結合緻密。權利要求
1.Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法，其特徵在於Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法按以下步驟進行一、將經過表面處理後的Ti箔和Al箔切割成小片，交替疊層放置10 30層，疊放的最上端和最下端皆為塗覆BN或者Y2O3的Ti箔，再往交替疊層放置的Ti箔和Al箔外包裹ー層塗覆BN的Ti箔，然後放置在石墨模具中，再把石墨模具放入真空熱壓燒結爐中加熱至300 500°C，同時施加10 30MPa壓力，保溫O. 5 lh，得到疊層箔材； ニ、卸載步驟一中疊層箔材上的壓力，以10°C /min的加熱速率將疊層箔材加熱到600 800°C，保溫2 40h，使Ti箔和Al箔發生擴散反應生成TiAl3-Ti層狀複合材料，然後以10°C /min的加熱速率加熱到900 1300°C，同時施加10 30MPa的壓力，保溫2 IOh後隨爐冷卻，退摸，即得到Ti3Al-TiAl層狀複合材料； 其中步驟一所述的表面處理是採用丙酮或甲醇擦洗Ti箔和Al箔表面，再分別進行酸洗處理或者鹼洗處理；酸洗處理是使用體積濃度為5 10%的HF水溶液酸洗10 30s後用清水洗浄，吹乾；鹼洗處理是使用體積濃度為5 20%的NaOH水溶液鹼洗10 30s後用清水洗浄，吹乾； 步驟一所述的Ti箔和Al箔厚度均為100 300 μ m ; 步驟一所述的包裹ー層塗覆BN的Ti箔厚度為100 μ m。
2.根據權利要求I所述的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法，其特徵在於步驟一放入真空熱壓燒結爐中加熱至330 450°C，同時施加15 26MPa壓力。
3.根據權利要求I所述的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法，其特徵在於步驟一放入真空熱壓燒結爐中加熱至380°C，同時施加23MPa壓力。
4.根據權利要求1、2或3所述的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法，其特徵在於步驟ニ將疊層箔材加熱到650 760°C，保溫10 35h，使Ti箔和Al箔發生擴散反應生成TiAl3-Ti層狀複合材料，然後以10°C /min的加熱速率加熱到1000 1200°C，同時施加15 25MPa的壓力，保溫3 8h後隨爐冷卻，退模。
5.根據權利要求4所述的Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法，其特徵在於步驟ニ將疊層箔材加熱到680°C，保溫20h，使Ti箔和Al箔發生擴散反應生成TiAl3-Ti層狀複合材料，然後以10°C /min的加熱速率加熱到1100°C，同時施加20MPa的壓力，保溫6h後隨爐冷卻，退模。
全文摘要
Ti3Al-TiAl層狀複合材料的製備方法，它涉及金屬層狀複合材料的製備方法。它要解決現有製備方法對設備要求高，工藝複雜的問題。本發明層狀複合材料的製備方法一、交替疊層放置的Ti箔和Al箔放入真空熱壓燒結爐中加熱至300～500℃，同時加壓；二、卸載壓力，將疊層箔材再加熱到600～800℃後保溫，然後再加熱到900～1300℃，同時施加10～30MPa的壓力，保溫後隨爐冷卻，退模，即得到Ti3Al-TiAl層狀複合材料。本發明可以一次性完成層狀複合材料的製備，生產工藝簡單易行，對設備要求低，得到的層狀複合材料界面結合緻密，應用於航天渦輪發動機葉片，機翼和高級轎車發動機的構件上。
文檔編號B32B37/10GK102744928SQ201210259
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月25日 優先權日2012年7月25日
發明者崔喜平, 張 傑, 李愛斌, 耿林, 範國華, 逄錦程, 鄭鎮洙 申請人:哈爾濱工業大學